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全球地理信息资源建设与成果应用调研报告

来源: 国家测绘地理信息局办公室      时间: 2017-06-19 09:24

国家测绘地理信息局总工程师  李志刚  

  一、全球地理信息资源建设工程实施的必要性

  全球地理信息描述的是全球范围地形地貌、地理环境和相关自然与人文现象的信息,主要包括数字正射影像、数字地表模型、数字高程模型、地名及行政区划、交通与水系、地表覆盖分类等。是工程规划与建设、突发事件应对与救援、国家安全与军事行动保障、生态环境评估与监测、商贸活动与社会人文交流、全球变化研究与可持续发展规划等不可或缺的基础信息和知识资源。开展全球地理信息资源建设,主要有以下几方面考虑:

  1、是保障国家安全维护国家利益的必然要求

  作为一个政治大国、经济大国、军事大国和海洋大国,我国正走向全球化发展道路。当前,世界政治形势复杂多变,我国周边及诸多热点地区大国利益交汇、各种矛盾交织,恐怖主义威胁、群体性事件、生态环境安全等方面安全威胁持续上升。在此形势下,迫切需要自主可控的全球地理信息资源和自主全球位置服务,满足我国掌控全球资源的布局、评估区域突发事件发展态势的需求,满足我军“能打仗”、“打胜仗”对高精度全球地理空间信息的需求,从而积极有效地保障国家利益、维护国家主权与国家安全。

  但是,我国目前还不具备全球多尺度地理空间数据获取能力,无法提供覆盖全球的高精度自主位置服务。这严重制约了我国对全球资源、态势的掌控、监测、评估、和行动决策,限制了我国参与国际事务、实施全球战略的进度和深度,减缓了我国在国际社会中话语权的提升速度。

  2、是“一带一路”国家战略实施的根本需求

  2013年8月,以习近平同志为总书记的党中央提出建设“新丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”的“一带一路”重大战略,要求以政策沟通、设施联通、贸易畅通、资金融通、民心相通为主要内容与沿线各国开展合作,主动应对全球形势变化、推进我国经济建设、构建国际合作新格局。“一带一路”战略的实施,对于推进我国经济建设、构建国际合作新格局具有重大意义。

  “新丝绸之路经济带”连接中国与中亚、西亚和欧洲,“21世纪海上丝绸之路”连接中国、东南亚、中东和欧洲,是有史以来最为宏大的基础设施项目之一。我国油气、旅游、电力、交通物流、基建、金融业等行业都将得益于战略的实施。据商务部信息,2015年我国企业共对“一带一路”相关的49个国家进行了直接投资,投资额合计148.2亿美元,同比增长18.2%。我国企业在“一带一路”相关的60个国家新签对外承包工程项目合同3987份,新签合同额926.4亿美元,占同期我国对外承包工程新签合同额的44.1%;完成营业额692.6亿美元,占同期总额的45%。两年多来,一大批惠及长远的重大项目相继开工,一系列利及世界的项目陆续启动。“一带一路”像一条同心带,串起了亚欧非大陆的历史与未来,串起了沿途60多个国家的友谊和合作。

  地理空间信息是国民经济和社会发展各行业统一的空间基础和信息载体,是不可或缺的国家战略性信息资源的重要组成部分,是整合经济、政治、社会、军事各类信息的基础,是当今世界最为基础的社会性公共信息资源之一。实施“一带一路”战略,必须有全球一体化地理空间信息及位置服务的支撑。

  3、是保障我国企业与公民海外利益与安全的重要支撑

  随着经济全球化进程的加快和我国“走出去”、“一带一路”战略的实施,我国经济日益融入国际经济体系,政府、企业、公民愈来愈多地参与国际性事务,在境外从事工程建设、商贸活动、旅游与社会人文交流等。

  当前我国尚没有全球地理信息数据成果,相关企业进行海外工程规划、设计、实施时,不得不高价购买外国外企业产品或是采用低精度低分辨率不可靠数据替代,极大地影响了工程进展。我国公民在外旅行时,也难以获得由我国主导的中、英文兼顾的位置服务支持。

  地理空间信息资源在各类“互联网+”领域发挥不可或缺的关键作用。开展全球地理信息资源建设工程,为企业拓展、公民出行提供有力支撑。

  4、是推进全球生态环境与资源可持续发展的基础

  当前,由于人类活动对地球环境产生的影响,我们正面临一系列前所未有的重大全球性气候和环境问题,如温室效应与全球变暖、海平面上升、人口激增与土地荒漠化、森林面积剧减与生物物种的快速灭绝、水资源匮乏、臭氧层破坏、大气中的氧化作用的减弱、环境恶化与灾害频发等。因此,世界各国都在积极探索如何更好地认识人类活动对全球变化的影响,如何合理地安排人类活动,如何应对各种灾害现象,实现人与自然和谐发展。

  开展全球地理信息数据资源建设,将改变我国只能使用他国产品开展全球变化的研究分析与决策的困境,同时为国际全球变化和地球系统科学研究提供高质量地理空间数据产品和服务,彰显负责任的大国风范,提升国际话语权和我国的国际地位。

  5、是推动测绘科技进步与产业国际化发展的重要手段

  全球地理信息资源建设涉及诸多核心关键技术,本项目将以我国自主的地理信息数据采集处理、高分辨率遥感卫星、北斗卫星导航定位、地理信息网络化服务技术与系统为基础,形成全球高精度无控制测图方法,突破全球地理空间信息产品快速生产、动态更新与持续监测分析、在线综合服务等系列关键技术,构建从数据生产-数据提供-信息服务-增值应用服务的产业链条,形成在全球范围内提供地理信息综合服务及亚米级实时导航定位服务能力,显著提升我国在全球高精度地理信息采集处理与综合服务技术水平、产业化进程。

  本项目的成果具有“技术国际化、产品国产化、应用大众化、服务产业化和市场全球化”的特点,形成完整的产业链。本项目将利用15亿投入,带动北斗专项(已经投入500亿)、高分专项(已经投入400亿)成果的产业化应用。

  随着“一带一路”等战略的推进,全球资源利用与位置服务市场必将迎来高速发展,我国自主全球地理信息资源的全球化、产业化应用,必将产生巨大的经济效益和社会效益。同时,通过本项目,可以让我们抓住产业发展的龙头和重点,牢牢把握市场开拓的主动权,充分利用我国市场巨大的潜力,开发适销对路的产品和服务,形成能良性发展的产业链与和谐的产业环境。

  6、是推进测绘地理信息国际合作的重要抓手

  基于全球地理信息资源成果,可与“一带一路”沿线国家合作开展区域空间数据基础设施、高精度导航与位置服务系统建设,以及面向生态环境监测、农林业务管理、交通路网建设、公共卫生安全、防灾减灾与应急响应、资源能源调查等空间信息应用合作研发,推动我国空间信息产品国际市场的开拓,增强我国海外战略性地面基础设施支撑能力,支持“一带一路”地区的社会经济发展。

  基于全球地理信息资源成果,与联合国全球地理信息管理委员会(UN-GGIM)、联合国灾害管理与应急反应天基信息平台(UN-SPIDER)、亚太空间合作组织(APSCO)、国际摄影测量与遥感学会(ISPRS)、对地观测组织(GEO)等国际组织联合,支持开展全球生态环境监测、生物多样性保护、气候变化等研究,提升我国测绘地理信息技术与应用国际影响力,建立以我为主要支撑、覆盖面广、影响力大的全球综合观测共享协作国际合作网络。

  二、工程建设依据

  1、中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要

  2016年3月17日,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》发布,在第十篇(加快改善生态环境)第四十二章(加快建设主体功能区)第三节(建立空间治理体系)中明确要求“提升测绘地理信息服务保障能力,开展地理国情常态化监测,推进全球地理信息资源开发。”

  2、关于经济建设和国际建设融合发展的意见

  2016年5月,中共中央、国务院、中央军委联合印发了《关于经济建设和国际建设融合发展的意见》,要求统筹测绘基础设施建设,强化全球测绘,推进全球地理空间信息基础设施建设和应用。

  3、全国基础测绘中长期规划纲要(2015—2030年)

  2015年6月1日,国务院批复同意《全国基础测绘中长期规划纲要(2015——2030年)》,要求“开展全球地理信息资源建设,加快对覆盖我国海洋国土乃至全球的基础地理信息资源获取,构建新型基础测绘体系,建立卫星测绘应用链条和业务运行体系,全面提升测绘地理信息服务能力,为经济社会平稳健康发展提供有力支撑”。

  4、测绘地理信息事业“十三五”规划

  2016年9月,国家发展改革委与国家测绘地理信息局联合印发《测绘地理信息事业“十三五”规划》,将全球地理信息资源开发列为五大重点任务之一,要求加快全球地理信息资源建设,强化全球地理信息服务应用。

  5、测绘地理信息科技发展“十三五”规划

  2016年10月,国家测绘地理信息局发布《测绘地理信息科技发展“十三五”规划》,将全球地理信息资源开发利用关键技术研究列为重点科技任务。

  三、国内外建设发展现状

  随着全球信息化、数字化的快速发展,以全球为对象的地理信息资源建设与地理信息服务已经成为世界发达国家发展全球战略的重要组成部分,建立全球统一的高精度地理空间信息数据库是实现这一战略的基础。当前,世界发达国家长期以来采用多种手段获取全球地理信息作为储备性战略资源,都相继发射了高分辨率遥感卫星,并将这些卫星数据处理成地理信息产品,目前已经拥有覆盖全球99%陆地范围的高精度数据,并对其中的高精度数据形成垄断。这些数据能够为研究全球尺度的社会经济发展提供全面的数据支持,使这些国家在国民经济、国防安全乃至全社会可持续发展等方面占据了先机与优势。

  我国在高分辨率遥感卫星方面取得了迅猛发展,已经跻身世界前列。但是,利用我国自主卫星资源生产的高分辨率、高精度全球地理信息资源几乎为零。

  (一)高分辨率卫星遥感技术日新月异

  自1999年美国空间成像公司发射世界首颗商业高分辨率遥感卫星IKONOS以来,世界各国竞相研制和发射高分辨率商业遥感卫星。美国、法国、加拿大、德国、意大利、以色列、日本等国相继发射了高分辨率商业遥感卫星。随著传感器技术、轨道技术、CCD技术和卫星技术的快速发展,商业遥感卫星的地面空间分辨率逐年提高。法国Pleiades-1A/1B卫星影像的地面分辨率达到了0.5米,韩国KOMPSAT-3A卫星影像的地面分辨率达到了0.55米,美国WorldView-3卫星影像的地面分辨率已高达0.31米。这大大提高了人们从太空认知地球的能力,为高精度全球地理空间信息服务提供了重要的高分辨率卫星数据源。

  中国的高分辨率卫星测绘技术近年实现重大突破,目前国内民用卫星形成了气象、海洋、资源、环境减灾等系列,其中优于2.5米分辨率的民用高分辨率卫星包括资源三号、高分一号、高分二号、高分八号、高分九号、北京二号、吉林一号,军用高分辨率卫星主要为天绘卫星。资源三号卫星、天绘卫星、高分系列卫星、北京二号、吉林一号等卫星的成功发射为我国自主全球测图提供了高精度的数据资源。

  (二)全球地理空间信息产品不断丰富和完善

  美国地质调查局1996年完成全球数字高程模型数据GTOPO30,经度和纬度间隔为30",覆盖了全球陆地范围。2000年,美国国家航空航天局、国家地球空间信息局、德国空间局、意大利空间局合作完成SRTM,分辨率有1″(SRTM1,约30米)和3″(SRTM3,约90米)两种,其中SRTM3覆盖全球陆地80%以上,SRTM1数据仅覆盖美国本土。2009 年日本经济产业省与美国国家航空航天局共同推出了分辨率为1″(约30米)的ASTER GDEN,覆盖范围为北纬83°到南纬83°之间地球陆地表面,达到全球陆地表面的99%。德国宇航局2011年利用TerraSAR-X遥感卫星生产了全球系列DEM数据,空间分辨率分别为1米、2米、18.5米。

  美国生产了分辨率为30米与15米的全球数字正射影像(DOM)TM/ETM、全球主要城市和重要地区0.45米以上分辨率的DOM、全球敏感地区0.1米分辨率以上DOM。其中只有TM/ETM提供下载。美国谷歌地球、谷歌地图发布了全球大范围、高分辨率的影像数据。

  上世纪90年代美国主导建立了全球1:100万数字地形数据产品,2005年在美国国家地理空间情报局(NGA)的组织领导下,由28个国家参与,完成了全球1:25万矢量地图数据库。但这些数据不同区域的内容完整性、丰富性、现势性差异很大,无法支撑具体的决策与分析。

  目前能够生产全球地表覆盖产品的国家并不是很多,迄今为止,美国和欧洲共利用遥感手段研制了5套全球地表覆盖数据产品,其中的三套全球1公里地表覆盖产品分别由美国地质调查局(USGS),马里兰大学(UMD)和波士顿大学等美国机构开发,第四套1公里产品是由欧洲开发的GLC2000。最近,欧洲空间局通过全球合作完成了300米分辨率的全球地表覆盖测图(GLOBCOVER)。美国地质调查局2002年启动了 “地理分析和动态监测计划”(Geographic Analysis and Monitoring,GAM),利用影像数据完成森林、草地、灌木、水体和湿地、冰雪和裸地等6类全球地表覆盖类型制图,并每年更新。这些LC数据总体分辨率较低,分类体系和时空分辨率均难以有效满足全球变化与地球系统研究的需求。

  我国在地表覆盖遥感方面开展了一系列研究与应用工作,中国科学院实施了南极洲地表覆盖测图项目;国家测绘地理信息局与澳大利亚合作开展了碳计量的遥感动态监测;中国林业科学院和中科院地理所等单位在东南亚开展土地覆盖变化监测项目;中国农业科学院等单位与西亚国家联合开展荒漠化监测项目等。2010年国家测绘地理信息局启动了863重点项目“全球地表覆盖遥感测图及关键技术研究”,形成了全球首套30米分辨率地表覆盖数据,比以往地表覆盖测图的分辨率提高了1个数量级。2014年张高丽副总理作为特使出席联合国气候峰会并代表中国政府向联合国捐赠该套数据,目前已有来自118个国家的6000多用户使用,应用成效显著。联合国期望中国方面能够进一步提供2015基准年及以后的全球地表覆盖信息,保障GlobeLand30的连续性。

  随着全球环境变化和全球经济一体化进程加速,地球资源环境正在以前所未有的速度和强度变化,迫切需要发展从地表到近地空间的高时空分辨率、高精度、动态和全球尺度监测能力。美国宇航局2000年以来以MODIS数据为主生产了陆地、大气、海洋44个标准产品,法国国家空间研究中心生产了全球大地成分及海洋监测产品,德国宇航局利用RapidEye卫星进行植被、水体、灾害、海岸水质监测。欧洲委员会和欧洲太空总署联合于2003年启动“哥白尼计划”,又称全球环境与安全监测计划(Global Monitoring for Environment and Security,GMES),对陆海空进行全方位的立体形态的监测,并提供应急管理、安全服务。英国建立了实时监测全球旱情严重程度的全球干旱监测网,提供当前全球范围的水文旱灾情况,网站每月更新。欧盟委员会联合研究中心(JRC)、联合国粮农组织和美国饥饿早期预警系统网络(FEWSNET),以卫星数据和农业气候模型为基础对全球粮食危机区进行地理监测。国际土壤学联盟发起并于2016年启动 “全球土壤数字制图计划”(GSM),建立可以反映土壤属性的高分辨率三维全球数字土壤图,支持全球土壤管理以及与食品生产、饥饿根除、气候变化、环境恶化等相关问题的决策。

  当前,随我国系列卫星的发射,对地观测正迅速进入中、高分辨率时代,但与全球中高分辨率遥感数据的获取能力相比,全球高时空分辨率的资源环境动态监测产品和信息服务能力远远滞后,国产卫星的利用效率还很低,尚未形成全球年度监测能力。

  (三)众源数据为全球地理信息资源建设提供了很好的信息补充

  高分辨率全球测图除了高分辨率卫星影像的获取以外,地面控制信息和辅助数据对于卫星影像的高精度定位和解译具有重要的作用。在众源数据出现之前,辅助数据的获取是一大难题。

  随着卫星遥感和卫星导航技术的发展,人们利用众源信息构建了全球框架性数据资源,如道路网、地名、景点,这些信息的存在为辅助卫星影像的快速解译起到了重要的作用。国外ERDAS公司在其产品ERDAS TITAN 2009中已经将OpenStreetMap作为底图使用,以支持多种不同类型的数据应用,包括Google Earth、Microsoft虚拟地球、ERDAS影像和ArcMap等。 ESRI公司在其产品ArcGIS Desktop 10中提供ArcGIS Editor for OpenStreetMap插件下载,该插件能使用户从OpenStreetMap上下载数据,存储在本地geodatabase中,并使用ArcGIS Desktop 10的高级编辑环境创建、修改或删除数据。一旦编辑结束,也可以将所做的修改回传到OpenStreetMap上,使OpenStreetMap用户群能第一时间获取最新数据。

  四、应用需求

  仅以我国投资或参加的部分境外基础设施建设为例,近年来,仅中交集团在境外的项目就超过100项,部分项目如表1(略)所示;中国铁路总公司在境外的项目有匈塞铁路、马来西亚铁路、泰国高铁、摩洛哥铁路、巴基斯坦地铁、印度高铁、伊朗铁路、阿曼铁路、印尼铁路等项目;中石化集团在境外的项目涉及哥伦比亚、厄瓜多尔、阿根廷、加蓬、尼日利亚、伊朗、俄罗斯等二十余国的中石化作业区块地面工程规划、地面建设方案编制、可研编制等,这些工程对我国自主全球地理信息资源的需求极其迫切。

  五、工程建设下一步工作思路

  国家测绘地理信息局党组围绕习总书记提出“一带一路”战略的需求,抢抓机遇、举旗亮剑,将全球地理信息资源建设作为“十三五”测绘地理信息事业五大任务之一。

  目前,全面开展全球地理信息资源建设与服务的条件已经具备。高分对地观测系统和北斗全球系统两个重大专项的实施为我国实施全球地理信息资源建设提供了丰富的数据支撑;国家测绘地理信息局组织科学家团队经过三年多的努力突破了境外无地面控制高精度测图关键技术,组织生产队伍利用国产卫星资源制作了“中巴经济走廊”和“东盟自贸区”380万平方千米高精度数据,确定了标准规范与生产工艺,形成了每年生产2000~3000万平方千米数据的能力,成果已经在全球生态环境研究和“一带一路”相关项目中发挥了重要作用。

  下一步,全球地理信息资源建设工作将在国家局党组的领导下,积极落实国家有关领导的重要批示精神,做好工程谋划与组织实施相关工作,同步推进成果应用。

 

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